Абразивтер, отқа төзімді материалдар немесе керамика өнеркәсібінде жұмыс істеген кез келген адам мұны біледіжасыл кремний карбидіМикроұнтақпен жұмыс істеу өте қиын екені белгілі. Алмазға жақын қаттылығы және тамаша жылу және электр өткізгіштігі бар бұл материал дәл ұнтақтауға, жоғары сапалы отқа төзімді материалдарға және арнайы керамикаға табиғи түрде жарамды. Дегенмен, оның қаттылығын ескеру оны тиімді пайдалану үшін жеткіліксіз - бұл қарапайым жасыл ұнтақ көзге көрінетіннен әлдеқайда көп нәрсеге ие. Кілт «бөлшектердің өлшемінде» жатыр.
Тәжірибелі материал инженерлері көбінесе: «Материалды бағалаған кезде алдымен ұнтаққа, ал ұнтақты бағалаған кезде алдымен бөлшектерге қараңыз», - дейді. Бұл мүлдем дұрыс. Жасыл кремний карбидінің микроұнтағының бөлшектерінің өлшемі оның тиімді құрал бола ма, әлде өндірісте маңызды кедергі бола ма, тікелей анықтайды. Бүгін біз бұл бөлшектердің өлшемі қалай басқарылатынын және бұл бақылауға қол жеткізудегі техникалық қиындықтарды қарастырамыз.
I. «Ұнтақтау» және «Бөлу»: Микрон деңгейіндегі «Хирургиялық процедура»
Идеалға жету үшінжасыл кремний карбидінің микроұнтағы, алғашқы қадам - үлкен жасыл кремний карбидінің кристалдарын «бұзу». Бұл оларды балғамен ұру сияқты қарапайым емес, керісінше, өте дәлдікті қажет ететін нәзік процесс.
Негізгі әдіс - механикалық ұсақтау. Бұл дөрекі болып көрінгенімен, мұқият бақылауды қажет етеді. Шарлы диірмендер ең көп таралған «жаттығу алаңы» болып табылады, бірақ кәдімгі болат шарларды пайдалану темір қоспаларын оңай енгізуі мүмкін. Қазіргі кезде тазалықты қамтамасыз ету үшін керамикалық төсемдер мен кремний карбиді немесе цирконий ұнтақтау шарларын пайдаланатын озық әдістер қолданылады. Тек шарлы ұнтақтаудың өзі жеткіліксіз; әсіресе 10 микрометрден (мкм) төмен диапазонда ұсақ және біркелкі микроұнтақ алу үшін «ауа ағынымен ұнтақтау» қолданылады. Бұл әдіс бөлшектердің соқтығысуына және үйкеліс арқылы бұзылуына әкелетін жоғары жылдамдықты ауа ағынын пайдаланады, бұл ластануды минималды етеді және бөлшектердің өлшемінің салыстырмалы түрде тар таралуына әкеледі. Өте ұсақ ұнтақтар (мысалы, 1 мкм-ден төмен) қажет болған кезде ылғалды ұнтақтау қолданылады. Ол ұнтақтың агломерациясының алдын алады, нәтижесінде жақсы дисперсиясы бар шламдар пайда болады.
Дегенмен, жай ғана «ұсақтау» жеткіліксіз; нағыз негізгі технология «жіктеуде» жатыр. Ұсақтау арқылы өндірілетін ұнтақтардың мөлшері сөзсіз әртүрлі болады, және біздің мақсатымыз - тек қажетті өлшем диапазонын таңдау. Бұл құм үйіндісінен тек диаметрі 0,5-тен 0,6 миллиметрге дейінгі құм бөлшектерін таңдаумен бірдей. Құрғақ ауамен жіктеу машиналары қазіргі уақытта ең кең таралған болып табылады, олар ірі және ұсақ ұнтақтарды жоғары тиімділікпен және үлкен өнімділікпен бөлу үшін центрифуга күші мен аэродинамиканы пайдаланады. Бірақ бір кемшілігі бар: ұнтақ жеткілікті түрде ұсақталған кезде (мысалы, бірнеше микрометрден төмен), бөлшектер ван-дер-Ваальс күштерінің (агломерация) әсерінен бір-біріне жиналып қалады, бұл ауа жіктеуіштеріне оларды жеке бөлшектердің өлшеміне қарай дәл бөлуді қиындатады. Бұл жағдайда ылғалды жіктеу (мысалы, центрифугалық шөгінді жіктеу) кейде пайдалы болуы мүмкін, бірақ процесс күрделі және құны артады.
Сонымен, көріп отырғаныңыздай, бөлшектердің өлшемін бақылау процесінің барлығы «ұсақтау» мен «жіктеу» арасындағы тұрақты күрес пен ымыраға келуден тұрады. Ұсақтау ұсақ бөлшектерге бағытталған, бірақ тым ұсақ бөлшектер агломерацияға бейім, бұл жіктеуге кедергі келтіреді; жіктеу дәлдікті арттыруға бағытталған, бірақ көбінесе агломерацияланған ұсақ ұнтақтармен қиындықтарға тап болады. Инженерлер уақыттарының көп бөлігін осы қарама-қайшы талаптарды теңестіруге жұмсайды.
II. «Кедергілер» және «Шешімдер»: Бөлшектердің өлшемін бақылау жолындағы тікенектер және жарық
Жасыл кремний карбидінің микроұнтағының бөлшектерінің мөлшерін сенімді түрде басқару тек ұсақтау мен жіктеуден де көп нәрсені қамтиды. Бірнеше нақты «кедергілер» кедергі келтіреді, және оларды шешпейінше, дәл бақылау мүмкін емес.
Бірінші кедергі - «қаттылықтың» әсерінен болатын кері әсер.Жасыл кремний карбидіөте қатты, ұсақтау үшін үлкен энергия қажет, бұл жабдықтың айтарлықтай тозуына әкеледі. Өте ұсақ ұнтақтау кезінде ұнтақтау материалдары мен төсемдердің тозуы көп мөлшерде қоспалар түзеді. Бұл қоспалар өнімге араласып, оның тазалығын бұзады. Қоспа деңгейі тым жоғары болса, бөлшектердің мөлшерін бақылауға арналған барлық ауыр жұмысыңыз мағынасыз болады. Қазіргі уақытта сала осы «қатал жолбарыспен» күресу үшін тозуға төзімді ұнтақтау материалдары мен төсем материалдарын көбірек әзірлеуде және жабдық құрылымдарын жақсартуда.
Екінші жолбарыс - ұсақ ұнтақтар әлеміндегі «тартылыс заңы» - агломерация. Бөлшектер неғұрлым ұсақ болса, меншікті бетінің ауданы соғұрлым үлкен болады және беттік энергия соғұрлым жоғары болады; олар табиғи түрде «бір-біріне жиналады». Бұл агломерация «жұмсақ агломерация» (ван-дер-Ваальс күштері сияқты молекулааралық күштермен бірге ұсталады, оларды бөлшектеу салыстырмалы түрде оңай) немесе одан да қауіпті «қатты агломерация» (ұсақтау немесе күйдіру кезінде бөлшектердің беттері ішінара ериді немесе химиялық реакцияларға түседі, оларды тығыз дәнекерлейді) болуы мүмкін. Агломераттар пайда болғаннан кейін, олар бөлшектердің өлшемін талдау құралдарында «үлкен бөлшектер» ретінде жасырынып, сіздің пікіріңізді айтарлықтай адастырады; практикалық қолдануда, мысалы, жылтырату сұйықтықтарында, бұл агломераттар дайындама бетін тырнайтын «кінәлілер» болып табылады. Агломерацияны шешу - жаһандық қиындық. Қоспаларды қосу және ұсақтау кезінде процесті оңтайландырумен қатар, ұнтақ бетін өзгерту, оған беттік энергияны азайту және оның үнемі «бір-біріне жиналуын» қаламау үшін «жабын» беру - тиімдірек тәсіл.
Ⅲ. Үшінші жолбарыс - «өлшеудегі» ішкі белгісіздік.
Басқарған бөлшектердің өлшемі сіз ойлағандай екенін қалай білесіз? Бөлшектердің өлшемін талдағыштар біздің көзіміз, бірақ әртүрлі өлшеу принциптері (лазерлік дифракция, тұндыру, кескін талдауы) және тіпті бір принцип бойынша әртүрлі үлгі дисперсия әдістері айтарлықтай әртүрлі нәтижелер бере алады. Бұл әсіресе агломерацияланған ұнтақтарға қатысты; егер өлшеу алдында дұрыс дисперсияға қол жеткізілмесе (мысалы, диспергенттерді қосу, ультрадыбыстық өңдеу), алынған деректер нақты жағдайдан алшақ болады. Сенімді өлшеусіз дәл бақылау тек бос сөз.
Осы қиындықтарға қарамастан, сала үнемі шешімдер іздейді. Мысалы, бүкіл процестің жетілдірілуі мен ақылдылығы басты үрдіс болып табылады. Онлайн бөлшектердің өлшемін бақылау жабдықтары арқылы нақты уақыт режиміндегі деректерді кері байланыспен беру және ұсақтау мен жіктеу параметрлерін автоматты түрде реттеу процестің тұрақтылығына әкеледі. Сонымен қатар, беттік модификация технологиясына көбірек көңіл бөлінуде, ол енді «дәрі» емес, бүкіл дайындау процесіне біріктіріліп, көзден агломерацияны басады және ұнтақтың дисперстілігін және оның қолдану жүйесімен үйлесімділігін жақсартады. III. Қолдануларға шақыру: бөлшектердің өлшемі қалай «философтың тасына» айналады?
Неліктен бөлшектердің өлшемін бақылау үшін соншалықты көп күш салу керек? Практикалық қолданыстарды қарастыру мұны анық көрсетеді. Дәл тегістеу және жылтырату саласында, мысалы, сапфир экрандары мен кремний пластиналарын жылтыратуда, жасыл кремний карбидінің микроұнтағының бөлшектердің өлшемінің таралуы «құтқару сызығы» болып табылады. Ол «үлкен бөлшектерден» («абразивті бөлшектер» немесе «өлтіргіш бөлшектер» деп те аталады) мүлдем таза, өте тар және біркелкі бөлшектердің өлшемінің таралуын талап етеді, әйтпесе бір терең сызат бүкіл қымбат дайындаманы бұзуы мүмкін. Сонымен қатар, ұнтақ қатты агломераттар болмауы керек, әйтпесе жылтырату тиімділігі төмен болады және бетінің әрлеуі қанағаттанарлық болмайды. Мұнда бөлшектердің өлшемін бақылау наноөлшемде қатаң сақталады.
Керамикалық пеш жиһаздары мен жоғары температуралы пеш төсемдері сияқты озық отқа төзімді материалдарда бөлшектердің өлшемін бақылау «бөлшектердің өлшемінің таралуына» бағытталған. Ірі және ұсақ бөлшектер белгілі бір пропорцияда араласады; ірі бөлшектер қаңқаны құрайды, ал ұсақ бөлшектер саңылауларды толтырады. Бұл жоғары температурада тығыз және күшті күйдіруге мүмкіндік береді, бұл термиялық соққыға жақсы төзімділікті қамтамасыз етеді. Егер бөлшектердің өлшемінің таралуы негізсіз болса, материал кеуекті және берік емес немесе тым сынғыш және жарылуға бейім болады. Оқ өткізбейтін керамика және тозуға төзімді тығыздағыш сақиналар сияқты арнайы керамика саласында ұнтақ бөлшектерінің өлшемі күйдіруден кейінгі микроқұрылымға және соңғы өнімділікке тікелей әсер етеді. Өте жұқа және біркелкі ұнтақтар жоғары күйдіру белсенділігіне ие, бұл төмен температурада жоғары тығыздықтағы және ұсақ түйіршікті керамика алуға мүмкіндік береді, осылайша олардың беріктігі мен төзімділігін айтарлықтай жақсартады. Мұнда бөлшектердің өлшемі керамикалық материалды «нығайтудың» ішкі құпиясы болып табылады.